Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год)

Предисловие

В конце семидесятых годов в компании Альфа Лаваль

ПТО. В конце концов, тепловые и гидравлические свой"

был разработан паяный пластинчатый теплообменник.

ства одинаковы для всех ПТО, от самых маленьких па"

Он находит все более широкое применение в установ"

яных до больших теплообменников с прокладками.

ках, где необходимы компактные и прочные теплооб"

Назначение этого справочника - объяснить принци"

менники с высокими коэффициентами теплопередачи

пы работы паяных, сварных и полусварных пластин"

и большим количеством передаваемой теплоты.

чатых теплообменников. Приведенные сведения по"

Одним из наиболее важных применений теплообмен"

зволят грамотно проектировать, устанавливать и эк"

ника являются холодильные системы, о которых и пой"

сплуатировать ПТО, а также устранять возникающие

дет речь в этом руководстве.

неисправности.

Перед вами четвертое издание. Со времени выхода

Справочник состоит из двух частей. Первая часть " дан"

первого издания состоялась интенсивная дискуссия о

ная книга - содержит общую информацию о ПТО, при"

хладагентах, как новых, с эффектом смещения или без

меняемых в холодильных системах. Она состоит из

него, так и натуральных, таких как пропан и аммиак. Эта

восьми глав и четырех приложений. Хотя каждая глава

дискуссия оказала влияние на разработку оборудова"

может изучаться независимо, мы иногда делали ссыл"

ния, в том числе и пластинчатых теплообменников.

ки на соответствующие разделы.

В частности, это проявилось в стирании границы меж"

Вторая часть - каталог продукции " содержит подроб"

ду небольшими паянными пластинчатыми теплообмен"

ную информацию о выпускаемых изделиях.

никами для галогеносодержащих углеводородов, при"

Неоценимую помощь при подготовке данного руковод"

меняемыми в системах непосредственного охлажде"

ства оказали коллеги из Альфа Лаваль в Италии и за ее

ния, и большими полусварными пластинчатыми тепло"

пределами, прежде всего, Bernard Pasquier, Loris

обменниками для аммиачных систем затопленного

Sartori, Mats Stromblad и Alvaro Zorzin, которым я выра"

типа. С одной стороны, аммиак все чаще используется

жаю свою благодарность.

в системах непосредственного охлаждения с никеле"

выми паяными ПТО, с другой, появились большие пая"

Наконец, я благодарю жену и сына за понимание и тер"

ные ПТО, пригодные для затопленных систем.

пение, проявленное ими в долгие рабочие вечера. Осо"

Поэтому в этом новом издании речь идет не только

бенно Эрика, который считает, что отцов выпускают со

о паяных ПТО, но и о больших сварных и полусварных

встроенными портативными компьютерами.

Алонте, Италия, 1"е июня 2001 г.

Claes Skuhede

1. Применения.

1. Применения. Основной холодильный цикл и применения

пластинчатых теплообменников

B. Жидкость достигла конечного давления. Долю испарив"

Диаграмма «давление энтальпия»

шейся жидкости можно определить при помощи линий рав"

Термодинамические свойства хладагента обычно представля"

ных концентраций. В нашем примере хладагент расширил"

ют с помощью диаграммы «давление"энтальпия», т.е. графика

ся до давления 1,63 бар ("30 °С), концентрация пара при этом

функции логарифма давления от энтальпии. Свойства хлада"

составляет 33,9%.

гента являются параметрами этой функции. Пример такой ди"

B"D. Частично испарившийся хладагент поступает в испа"

аграммы представлен на рис. 01. Основные обозначения на

ритель. Там испаряется оставшаяся жидкость, производя,

этом рисунке:

таким образом, необходимый холодильный эффект. Снача"

♦ Сплошная линия изображает насыщенную жидкость, двой"

ла состояние хладагента достигает точки C (100 % насыщен"

ная линия - насыщенный пар. Вместо давления может быть

ный пар), но обычно в испарителе происходит небольшой

использована температура насыщения. Эти две линии пе"

перегрев - система переходит в точку D.

ресекаются в критической точке, отмеченной на рисунке кру"

D. Пар выходит из испарителя с давлением 1,63 бар (равно"

жочком. Разность энтальпий на этих двух линиях при дан"

весная температура "30 °С), перегретый до "25 °С.

ном давлении является скрытой теплотой парообразования.

D"E. Пар сжимается в компрессоре до давления конденса"

♦ Область слева от черной линии соответствует переохлаж"

ции. Сжатие должно быть по возможности идеальным, то

денной жидкости, а область справа от двойной черной ли"

есть пару должна быть передана не тепловая, а механичес"

нии - перегретому пару. Между ними находится область, со"

кая энергия, чтобы поднять давление до необходимого уров"

ответствующая смеси насыщенной жидкости и пара.

ня, в нашем примере до 15,3 бар, что соответствует 40 °С.

♦ Линии равной концентрации проходят через точки, в кото"

Это означает, что пар должен сжиматься изэнтропически,

рых концентрация пара в смеси жидкость"пар одна и та же.

на диаграмме процесс должен идти по изэнтропе D"E’. Об"

♦ Изотермы проходят через точки с одинаковой температу"

ратите внимание на отличие от процесса расширения A"B.

рой переохлажденной жидкости или перегретого пара.

Там не было обмена энергией с окружающей средой, по"

этому хладагент расширялся по изоэнтальпе. Здесь не про"

♦ Изэнтропы отображают процессы, проходящие без теплооб"

исходит теплообмена, но подводится механическая энер"

мена с окружающей средой, например, сжатие хладагента.

гия, поэтому хладагент сжимается по изэнтропе. Как вид"

♦ Иногда на диаграммах изображают изохоры (линии посто"

но на диаграмме, при сжатии увеличивается температура

янного объема).

хладагента. Причем увеличение температуры происходит

быстрее, чем увеличение давления, поэтому хладагент не

только остается газообразным, но еще и перегревается.

Основной цикл

Однако сжатие не может произойти идеально. Существует

На рис. 01 представлен основной холодильный цикл в виде ди"

внутреннее трение между движущимися частями пара, тре"

аграммы «давление"энтальпия» с указанием физических ком"

ние смазочного масла, перетекание сжатого газа в зону

понентов. Для изучения цикла мы можем пройти по нему, на"

всасывания и т.д. Все это приводит к дополнительному на"

чиная с любой точки, но обычно удобно начинать с немного пе"

греву пара. Поэтому пар будет сжиматься не по изэнтропе

реохлажденного жидкого хладагента, например, при темпера"

D"E’, а по какому"то неопределенному пути с более высо"

туре 35 °С и давлении 15,33 бар. Это давление соответствует

кой конечной температурой, обозначенной точкой E. Коли"

температуре насыщения 40 °С. На рисунке данная точка обо"

чество этой добавленной энергии зависит от эффективно"

значена буквой А.

сти компрессора h. Таким образом:

Это удобная начальная точка, потому что ее положение обыч"

но слабо меняется, несмотря на различные модификации ос"

HE " HD = (HE “" HD) / h (реальная мощность компрессора)

новного цикла, которые будут рассмотрены позже.

Зная (от изготовителя) значение h и значения H_E’ и H_D (из ди"

А"В. Жидкость расширяется в регулирующем вентиле. При этом

аграммы), можно вычислить H_E.Кроме того, зная конечное

она не обменивается с окружающей средой энергией, ни теп"

давление (из диаграммы) находим температуру хладагента

ловой, ни механической. Расширение проходит при постоян"

на выходе из компрессора.

ной энтальпии. Процесс расширения представлен на рис. 01

E"F. Перегретый пар выходит из компрессора при доволь"

прямой линией, перпендикулярной оси энтальпии.

но высокой температуре. Он несет энергию, слишком цен"

Когда давление начинает уменьшаться, сначала ничего не про"

ную, чтобы ее терять. Перегрев можно устранить в специ"

исходит; температура остается почти постоянной. Наконец,

альном теплообменнике, а полученное тепло использова"

давление жидкости достигает кривой насыщения. Дальнейшее

но для производства горячей воды или для отопления по"

уменьшение давления означает, что температура также долж"

мещений.

на уменьшаться, иначе жидкость будет перегрета, что являет"

F"A. Наконец, пар поступает в конденсатор, возможно слег"

ся термодинамически неустойчивым состоянием.

ка перегретым (чуть правее точки F), и конденсируется.

Таким образом, жидкость охлаждается, и выделившаяся энер"

Конденсат обычно выходит из конденсатора не насыщен"

гия идет на испарение части жидкости, или, другими словами,

ным, а немного переохлажденным, и процесс возвращает"

испаряющаяся жидкость охлаждает оставшуюся жидкость. Чем

ся в начальную точку A с давлением 15,33 бар (40 °С) и тем"

меньше давление, тем больше жидкости испарится.

пературой 35 °С.

1. Применения.

Конденсатор, ППТО

Мощность: 48,20 кВт

Температура конденсации: 40 °С

Нагревае"

Охлаждающая вода

мая водо"

G. 40 ˚C

F. 40.0 ˚C

проводная

вода

A. 35 ˚C

Охладитель перегретого пара, ППТО

100 % жидкости,

Мощность: 17,86 кВт

0 % пара

E. 114.6 ˚C

Сторона высокого

давления

Регулирующий вентиль

Сторона низкого

Компрессор

давления

КПД: 70 %

10)

Мощность: 23,52 кВт

"30 °С, 66,1 % жидкости,

Pк/Pн: 9,38

33,9 % пара

D. "25 °С

100 % пара

1000 кг/час R22

С. "30 °С

100 % пара

Холодильный коэффициент:

42,54/23,52=1,81

Испаритель, ППТО

Мощность: 42,54 кВт

B. "30 °С

Температура испарения: "30 °С

33,9 % пара

Давление, P

Критическая точка

(температура насыщения)

Изэнтропа

Охладитель перегре"

того пара, ППТО

E. 114.6 ˚C

Жидкость

A. 35 ˚C

G. 40 ˚C

F. 40 ˚C

Конденсатор,

Изотерма ("25 °С)

ППТО

ТРВ

Две фазы

Линия насы"

Компрессор

щенного пара

C. -30 ˚C

Линия насыщен"

Пар

ной жидкости

B. -30 ˚C

D. -25 ˚C

Энтальпия, H

Линия равной концентрации

Испаритель, ППТО

Рис. 01. Основной холодильный цикл

Задача холодильной установки - отвести теплоту от имею"

занные линии пересекаются в критической точке. Осталь"

щей низкую температуру технологической жидкости или

ные свойства хладагента могут быть представлены как

воздуха и передать его другой среде, которой может быть

параметры, например, изотермы (линии постоянной тем"

вода или воздух.

пературы). На рисунке показана изотерма "25 °С. Это по"

чти вертикальная линия в области жидкости, поскольку

На рисунке показана схема холодильной установки, состо"

удельная теплоемкость жидкости слабо зависит от дав"

ящей из испарителя, компрессора, конденсатора, расши"

ления. В области пара это наклонная кривая, поскольку

рительного устройства и соединительных труб. Это мини"

удельная теплоемкость пара сильно зависит от давления

мальный набор компонентов, необходимый для реализации

(и температуры).

основного компрессионного холодильного цикла.

На рисунке также приведена изэнтропа, линия, отражающая

Давление представлено как функция от энтальпии жид"

изменение агрегатного состояния без теплообмена между

кости и пара. Область слева от линии насыщенной жид"

хладагентом и окружающей средой. Идеальное сжатие дол"

кости соответствует жидкому состоянию, а справа от ли"

жно идти по линии D"E’, но из"за неизбежного тепловыделе"

нии насыщенного пара - парообразному. Между этими

ния при трении реальное сжатие идет по линии D"E, то есть

линиями находится область двухфазного состояния. Ука"

до более высокой конечной температуры.

1. Применения.

Реальные характеристики, как основного цикла, так и любого

3. Промежуточные охладители

из улучшенных циклов, зависят от требуемой суммарной холо"

и переохладители.

допроизводительности, КПД компрессоров в реальных рабо"

чих условиях, типов конденсаторов и испарителей, доступнос"

Очень часто на месте расположения холодильных установок

ти охлаждающей воды, площадей и т.д.

имеется доступ к артезианской воде. Как правило, непосред"

ственное использование такой воды слишком дорого, однако

ее можно применять в дополнение к градирням. Поскольку тем"

пература артезианской воды обычно значительно ниже, чем

оборотной, непосредственное использование артезианской

Компоненты холодильного контура

воды для охлаждения приводило бы к потере возможного ис"

Процесс расширения хладагента

точника холода. Такую воду рационально применять во вспо"

и применяемые устройства

могательных охлаждающих устройствах, требующих макси"

Во всех типах холодильных циклов имеется переход, при кото"

мально низкой температуры теплоносителя.

ром жидкий хладагент расширяется от давления конденсации

Два таких возможных применения показаны на рис. 02. Для удоб"

до давления испарения, от точки A до точки B на рис. 01. Хла"

ства сравнения этой системы с основным холодильным циклом

дагент испаряется и одновременно охлаждается до темпера"

предполагается, что температуры конденсации и испарения, а

туры испарения.

также количество хладагента в обеих системах одинаковы.

Для расширения хладагента может быть использовано любое

В этой системе применяется испаритель непосредственного

сужающее (дросселирующее) устройство, в котором падение

охлаждения (глава 4, «Испарители и отделители жидкости», §5),

давления будет равно разности давлений конденсации и испа"

но мог бы применяться и термосифонный испаритель (глава 4,

рения для фактического расхода хладагента.

«Испарители и отделители жидкости», §3). С точки зрения тер"

Из законов гидродинамики известно, что перепад давлений

модинамики процесс в обоих случаях протекает одинаково с

одним исключением: из термосифонного испарителя обычно

возрастает с Увеличением длины трубы шероховатости

выходит не перегретый, а насыщенный пар. Чтобы иметь воз"

поверхности трубы количе"

можность сравнивать две системы, мы предположим, что пар

ства поворотов потока изме"

на своем пути к компрессору перегревается на 5 К, а необхо"

нений скорости потока

димая для этого теплота поступает от охлаждаемой жидкости.

Уменьшением гидравлического радиуса

Для правильной работы регулирующего вентиля необходимо

площади поперечного сече"

поддерживать требуемое давление в ресивере жидкого хлада"

ния трубы

гента (ЖР). См. гл. 5, «Конденсаторы и ресиверы жидкого хла"

Теоретически, каждый из этих параметров может быть исполь"

дагента», рис. 10.

зован для управления перепадом давления. Однако трудно

Заметим, что система с термосифоном должна быть оснаще"

себе представить устройство, которое использовало бы для

на маслоотделителем. Такая система обсуждается в гл. 8, «Мас"

этого шероховатость поверхности трубы. Кроме того, коли"

ла и хладагенты».

чество поворотов потока и длина трубы непосредственно свя"

заны друг с другом, так же как гидравлический радиус, попе"

В состав рассматриваемого контура входят переохладитель

речное сечение и изменение скорости потока.

конденсата и промежуточный охладитель перегретого пара.

Оба устройства охлаждаются артезианской водой.

Применение этих двух устройств приводит к снижению темпе"

Для регулирования перепада давления применяются три уст"

ратуры хладагента на выходе из компрессора до 88 °С. Эта тем"

ройства:

пература существенно ниже температуры разрушения масла,

♦ Вентиль. Существует множество конструкций, но основной

но еще достаточно высока для использования хладагента в ка"

изменяемый параметр " это поперечное сечение, а следо"

честве источника тепла для получения горячей воды, хотя и с

вательно, скорость потока. Одновременно с этим изменя"

более низким теплосодержанием и более низкой температу"

ется гидравлический диаметр, поток слегка меняет направ"

рой. Более того, холодильный коэффициент возрастает при"

ление и ускоряется. Энергия, затраченная на ускорение по"

мерно на треть, с 1,81 до 2,40. Это достигается благодаря сле"

тока, в дальнейшем полностью не восстанавливается при

дующим трем эффектам:

торможении потока.

♦ Более низкая температура хладагента перед регулирующим

Длина и шероховатость канала в вентиле слабо влияют на

вентилем означает, что для достижения в испарителе тем"

перепад давления.

пературы -30 °С должно испариться меньшее количество

хладагента.

♦ Диафрагма. Тот же принцип, что у вентиля, но все парамет"

♦ Соответственно, в испарителе оказывается больше жидко"

ры фиксированы.

го хладагента и его производительность увеличивается.

Возросшая эффективность работы компрессора означает

♦ Капиллярная трубка. Это тонкая длинная трубка, которую

снижение его потребляемой мощности.

для экономии места обычно сворачивают в спираль. Все

вышеперечисленные параметры влияют на перепад давле"

♦ На вторую ступень сжатия поступает более холодный пар,

ния и должны быть согласованы друг с другом.

что приводит к дальнейшему снижению нагрузки компрес"

сора.

Капиллярная трубка может иметь большее сечение, чем

диафрагма, так как длина трубки является существенным

В рассматриваемых примерах принято, что в контуре циркули"

фактором, определяющим потерю давления. Это важно для

рует хладагент R22 с расходом 1000 кг/час. В этом случае хо"

устройств небольшой мощности, поскольку в них пришлось

лодопроизводительность возрастает от 42,54 кВт до 48,53 кВт,

бы устанавливать диафрагму с отверстием столь малого

в то же время суммарная потребляемая мощность уменьшает"

диаметра, что оно легко засорялось бы в результате износа

ся с 23,52 кВт до 20,2 кВт.

элементов холодильного контура.

Эти термодинамические эффекты могут применяться двояко:

Капиллярные трубки являются стандартным решением для

♦ сохранить неизменной производительность испарителя, но

небольших систем, например для холодильников.

уменьшить нагрузку на компрессор

♦ сохранить неизменной нагрузку компрессора, но увеличить

производительность испарителя.

1. Применения.

85.6 ˚C

35 ˚C

Конденсатор с воздушным

охлаждением

Мощность: 59,34 кВт

Температура конденсации: 40 °С

Компрессор 2"й ступени

1000 кг/час R22

18 ˚C

КПД: 80 %

Мощность: 10,67 кВт

Холодильный

48.53

Ресивер жидкого хладагента

2.40

Pк/Pн: 3,08

коэффициент

(9.53+10.67)

27 ˚C

Артезианская вода

15 ˚C

Артезианская вода

Переохладитель, ППТО

-25 ˚C

27 ˚C

Мощность: 5,98 кВт

35.1 ˚C

Охладитель пере"

гретого пара, ППТО

18 ˚C

-25˚C

Мощность: 3,48 кВт

Испаритель, ППТО

Рассол, охлажденная

Мощность: 48,53 кВт

вода, технологическая

Температура

жидкость и т.п.

Компрессор 1"й ступени

испарения: "30 °С

КПД: 80 %

Мощность: 9,53 кВт

Pк/Pн: 3,04

Давление, Р

(температура

насыщения)

Переохладитель,

Конденсатор, ППТО

ППТО

85.6 ˚C

18 ˚C

35 ˚C

40 ˚C

Компрессор 2"й ступени

Охладитель перегретого пара, ППТО

18 ˚C

35.1 ˚C

Регулирующий вентиль

-30 ˚C

Компрессор 1"й ступени

-30 ˚C

-25 ˚C

Испаритель, ППТО

Энтальпия, Н

Рис. 02. Холодильный контур с охладителем перегретого пара и переохладителем

Фактически, это " основной холодильный контур, но с установкой

ходит из компрессора первой ступени и затем входит в компрес"

переохладителя в дополнение к конденсатору и промежуточного ох"

сор второй ступени, возможно, вместе с паром, имеющим проме"

ладителя между компрессорами первой и второй ступеней. Исполь"

жуточное давление. Другими словами, включение промежуточного

зование этих дополнительных охладителей увеличивает холодиль"

охладителя невозможно, если компрессор имеют только один вход

ный коэффициент и обеспечивает более высокую холодопроизво"

для промежуточного пара.

дительность при том же количестве хладагента.

Оптимальное промежуточное давление обычно принимается

Для устранения перегрева и конденсации паров хладагента при"

равным среднему геометрическому между давлениями испаре"

меняется конденсатор с воздушным охлаждением. Хладагент вы"

ния и конденсации и в данном примере приблизительно соот"

ходит из конденсатора переохлажденным до 35 °С. После этого он

ветствует 0 °С

переохлаждается артезианской водой до 18 °С в ППТО.

Пары хладагента выходят из первой ступени примерно при 35 °С и

Дальнейшее усовершенствование состоит в применении двухсту"

охлаждаются артезианской водой в ППТО до 18 °С. Чем выше плот"

пенчатого сжатия, реализуемого либо с помощью двух последова"

ность пара, тем большее количество хладагента поступает в комп"

тельно соединенных компрессоров, либо с помощью двухступен"

рессор второй ступени, т.е. тем выше мощность. Аналогично, чем

чатого компрессора. Включение промежуточного охладителя меж"

выше плотность пара, тем меньше объем хладагента в компрессо"

ду компрессорами можно реализовать только тогда, когда пар вы"

ре второй ступени, т.е. тем компактнее компрессор.

1. Применения.

После прохождения расширительного устройства хладагент

4.3. Испарители, конденсаторы

представляет собой двухфазную смесь жидкости и пара. Жид"

и промежуточные охладители

кость должна испариться в испарителе и обеспечить, тем са"

В данном руководстве речь идет исключительно о пластинча"

мым, холодильный эффект. Осуществить этот процесс можно

тых теплообменниках, особенно о паяных пластинчатых тепло"

двумя способами.

обменниках. В этих теплообменниках одна среда представля"

ет собой одно" или двухфазный хладагент, а другая среда " это

♦ Испаритель непосредственного охлаждения. Вся смесь

охлаждаемая или нагреваемая жидкость или хладагент.

поступает в испаритель. Жидкость испаряется, хладагент

выходит из испарителя только в виде пара, который затем

В холодильной технике применяются три типа пластинчатых

поступает в компрессор. Необходимо принять меры, что"

теплообменников " паяные (ППТО), сварные (СПТО) и полусвар"

бы ни одна капля жидкости не попала в компрессор, по"

ные (ПСПТО). Они имеют очень сходные тепловые и гидравли"

скольку это могло бы стать причиной гидравлического уда"

ческие свойства, Поэтому, все, что говорится в данном руко"

ра и, следовательно, разрушения деталей компрессора.

водстве, в основном применимо ко всем трем типам.

Для этого пары, выходящие из испарителя, перегревают.

Различия касаются, главным образом, коррозионных свойств

Кроме того, температура перегретого пара является очень

материалов, которыми являются: разные марки нержавеющей

удобным параметром для управления работой регулиру"

стали, титан и резина для ПСПТО, нержавеющая сталь или ти"

ющего вентиля.

тан для СПТО и нержавеющая сталь, медь или никель для ППТО.

Особое значение имеет терморегулирующий вентиль, который

Кроме того, со стороне жидкости ПСПТО доступны для осмот"

управляет процессом по температуре выходящего из испари"

ра и очистки, что невозможно для СПТО и ППТО.

теля перегретого пара. От него в большой степени зависит ра"

бота испарителя непосредственного охлаждения, поэтому он

4.4. Соединительные трубопроводы

будет подробно обсуждаться в главе, посвященной испарите"

Соединительные трубопроводы вместе с арматурой зачастую

лям.

обходят вниманием в процессе проектирования холодильных

систем. Этот факт заслуживает сожаления, поскольку недоста"

Сейчас все большее применение находят электронные регулиру"

точно продуманная трубопроводная обвязка может испортить

ющие вентили. Простота изменения параметров регулирования,

самую сложную конструкцию.

а также возможность дистанционного управления сделали эти

вентили популярными в супермаркетах с их многочисленными

Труба между терморегулирующим вентилем (ТРВ) и испари"

кондиционерами и холодильными установками, работающими в

телем, а также труба между конденсатором и ресивером жид"

разных температурных режимах. Самые надежные вентили осна"

кого хладагента могут оказаться слабым местом конструкции.

щены термоэлектрическим приводом. Применяются также им"

Они обсуждаются подробнее в главе, посвященной испарите"

пульсные и шаговые электродвигатели.

лям и конденсаторам.

♦ Испаритель, работающий только на жидкой фазе хла

Точно также, неправильно подобранные запорные клапаны мо"

дагента (flooded flow). Пар отделяют от жидкости в сосу"

гут явиться причиной неисправности термосифонной системы.

дах, достаточно больших, чтобы капли успевали оседать под

действием силы тяжести. Иногда для этого используют цен"

тробежный сепаратор.

5. Цикл с экономайзером

Жидкость из регулирующего вентиля вместе с жидкостью из

мгновенного испарения

отделителя поступает в испаритель, где частично испаряется.

Хладагент, участвующий в основном цикле, может быть разде"

Выходящая из испарителя смесь жидкости и пара снова посту"

лен (мысленно) на две части:

пает в отделитель, где происходит разделение жидкости и пара.

1) Одна часть расширяется и испаряется, ее давление изменяет"

Циркуляция жидкости между отделителем и испарителем мо"

ся от давления конденсации до давления испарения, в нашем при"

жет происходить либо самотеком -термосифон, либо с помо"

мере эти давления соответствуют температурам 40 °С и -30 °С.

щью насоса - принудительная циркуляция.

2) Вторая часть хладагента остается в жидком состоянии и ох"

В отделителе жидкости пар смешивается с паром, образовав"

лаждается испарившейся частью от 35 °С (хладагент уже охла"

шимся после расширения в регулирующем вентиле, и посту"

дился на 5 К в конденсаторе) до -30 °С на стадии испарения.

пает в компрессор, а жидкость смешивается с жидкостью, по"

Испарившаяся часть хладагента, хладагент 1), имеет темпера"

ступившей из регулирующего вентиля, и возвращается в ис"

туру -35 °С и постоянно охлаждает жидкую часть, хладагент 2),

паритель.

от высокой температуры 35 °С до низкой температуры "30 °С.

Пар, выходящий из испарителя, не является ни сухим, ни пе"

С точки зрения термодинамики, здесь имеет место излишняя

регретым. Следовательно, отсутствует такой параметр, как

затрата энергии на охлаждение высокотемпературной части

температура перегретого пара, который можно было бы ис"

хладагента низкотемпературным паром, так как пар затем дол"

пользовать для управления подачей хладагента в испаритель.

жен быть снова сжат от низкой температуры -35 С до высокой

Вместо этого процесс расширения управляется по уровню жид"

40 С. Предпочтительнее мгновенно испарить часть хладагента

кости в отделителе. Если уровень понижается, то регулирую"

1) при промежуточном давлении, скажем, соответствующем

щий вентиль открывается, и большее количество хладагента

температуре 0 °С, а затем использовать полученный пар для

поступает в контур отделитель"испаритель. См. главу 4, «Ис"

охлаждения высокотемпературной части хладагента 2).

парители и отделители жидкости», рис. 02.

Вместо того, чтобы сжимать весь пар 1) от -35 °С до 40 °С, теперь

часть пара нужно будет сжимать лишь от 0 °С до 40 °С. Таким обра"

4.2. Компрессор

зом экономится энергия. Холодильный коэффициент возрастает,

Пар, выходящий из испарителя, сжимается от давления испа"

а температура пара на выходе из второго компрессора уменьша"

рения до давления конденсации. Компрессор имеет сложную

ется. Этот цикл и его диаграмма представлены на рис. 03.

конструкцию, однако его работа проста и легко контролирует"

Такое промежуточное охлаждение с температурой испарения

ся. Как правило, это надежное устройство. Обычно, самое пло"

0 °С осуществляется в экономайзере. Оно может происходить

хое, что может с ним случиться, это гидравлический удар, на"

непосредственно в отделителе жидкости - экономайзер с мгно"

поминающий детонацию в двигателях.

венным испарением, см. рис. 03, или в специальном теплооб"

меннике - экономайзер"испаритель, рис. 04.

Различные компрессоры по"разному ведут себя при гидрав"

лическом ударе. Наиболее чувствительными являются порш"

Частично влажный пар, выходящий из экономайзера, см. рис.

невые и спиральные компрессоры. Наименее чувствительны"

3, поступает в промежуточную ступень двухступенчатого ком"

ми являются винтовые компрессоры, скорее всего из"за боль"

прессора, где смешивается с паром, выходящим из первой сту"

шого количества масла.

пени компрессора, и охлаждает его.

1. Применения.

1000 кг/час R22

95.2 ˚C

холодильный

43.08

= 2.39

35 ˚C

коэффициент

(7.53+10.48)

Воздушный конденсатор

Мощность: 61,62 кВт

Температура конденсации: 40 °С

27.2 ˚C

Ресивер жидкого хладагента

Компрессор

2"й ступени

КПД: 80%

Пар, 210 кг/час, 0 °С

Мощность: 11,12 кВт

Pк/Pн: 3,08

0 ˚C

0 °С, 21,0 % пара

Компрессоры мо"

гут быть двумя от"

дельными комп"

рессорами или

Регулирующий вентиль А с управ"

винтовым комп"

лением по уровню жидкости

рессором с входом

пара с промежу"

Отделитель жидкости

точным давлением

от экономайзера.

-25 ˚C

Жидкость,

790 кг/час, 0 °С

34.51 ˚C

Испаритель, ППТО

Мощность: 42,98 кВт

Температура испарения: "30 °С

РВ B: "30 °С,

Компрессор 1"й ступени

15,0 % пара

КПД: 80%

Мощность: 7,41 кВт

Pк/Pн: 3,04

Давление, Р

(температура

насыщения)

40 ˚C

71.7 ˚C

35 ˚C

Воздушный конденсатор

РВ А

Компрессор 2"й ступени

5 ˚C

0 ˚C

Смешивание,

35.1 ˚C

14.2 ˚C

РВ B

Отделитель жидкости

Компрессор 1"й ступени

-30 ˚C

Испаритель, ППТО

-25 ˚C

-30 ˚C

Энтальпия, Н

Рис. 03. Холодильный цикл с экономайзером мгновенного испарения

Весь хладагент поступает в экономайзер"сепаратор, где про"

при сравнении необходимо учитывать разность в стоимости

исходит мгновенное испарение части хладагента и разделе"

отделителя жидкости и теплообменника.

ние газообразной и жидкой фаз. Затем пар из экономайзера

Такой отделитель жидкости должен быть довольно громоздким,

смешивается с паром из компрессора первой ступени, но по"

поэтому чаще применяют более компактные испарители"эко"

скольку пар из сепаратора сухой и потому имеет меньшую ох"

номайзеры. Как показано на рис. 04 компактный и эффектив"

лаждающую способность, температура после смешивания ока"

ный ПТО может заменить сепаратор"экономайзер.

зывается выше, чем в случае испарителя"экономайзера.

С точки зрения термодинамики оба цикла работают по од"

Основное отличие от схемы с экономайзером"теплообменни"

ному принципу. Предпочтительнее охладить высокотемпе"

ком, показанной на рис. 04, стр. 9, состоит в том, что здесь ох"

ратурный конденсат с помощью пара высокого давления,

лаждение жидкости происходит за счет мгновенного испаре"

который затем будет проще сжать. Подробнее этот вопрос

ния в отделителе жидкости, а не в теплообменнике. Соответ"

обсуждается в п. 5 «Цикл с экономайзером мгновенного ис"

ственно отличаются и стоимости установок. Следовательно,

парения», стр. 6.

1. Применения.

вания и нагнетания, значения перегрева, переохлаждения, КПД

6. Цикл с испарителем

компрессора, тип цикла.

экономайзером

Полуидеальный холодильный коэффициент используется раз"

См. рис. 04.

работчиками для оценки новых хладагентов, влияния на про"

изводительность установки переохладителя конденсата, эко"

номайзера и т.д. В настоящей главе при обсуждении циклов

7. Сравнение реального

применяется именно этот показатель. С помощью данного по"

казателя легко увидеть, к чему приведет добавления экономай"

и идеального холодильных циклов

зера или переохладителя конденсата.

Приведенное здесь описание процесса относится к идеально"

Холодильный коэффициент (коэффициент преобразова

му холодильному циклу, за исключением стадии сжатия, на ко"

ния) установки: холодо" или теплопроизводительность нетто

торой обычно учитывают реальную мощность на валу.

установки, деленная на величину полной энергии, подведен"

В реальной установке всегда существуют потери давления в раз"

ной к установке при заданных условиях. Все величины выра"

личных участках системы. Расширение происходит до темпера"

жаются в согласованных единицах измерения.

туры, немного превышающей -30 °С, допустим, до -29 °С. Хла"

Холодильный коэффициент (или коэффициент преобразова"

дагент с этой температурой поступает в испаритель, расширя"

ния) установки применяется пользователями установки. Потен"

ется и покидает его при давлении, соответствующем -30 °С.

циальный покупатель теплового насоса для жилого помеще"

Аналогично, происходят потери давления в конденсаторе, со"

ния, сравнивая различные модели, интересуется, скорее все"

единительных трубах, арматуре и т.д. Все это снижает реаль"

го, только количеством теплоты, которое подведет к помеще"

ную производительность установки.

нию насос при данной температуре, данном источнике тепла и

потреблении электроэнергии.

Указанные потери давления могут минимизированы. В неко"

торых случаях они не имеют значения, например, безразлич"

Для него не очень важно, какими средствами обеспечено дан"

но, произойдет ли расширение полностью в терморегулирую"

ное значение коэффициента преобразования теплового насо"

щем вентиле, или же частично оно произойдет в испарителе

са - за счет добавления экономайзера, отдельного переохла"

(но перед зоной нагрева хладагента).

дителя или более мощного испарителя.

Индикаторный КПД компрессора: отношение мощности сжа"

тия пара в идеальном адиабатическом процессе (определяет"

8. Определение производительнос

ся из диаграммы) к внутренней мощности, которая определя"

ти и холодильного коэффициента

ется фактической работой, произведенной поршнем или ро"

тором компрессора.

При определении производительности и показателей эффек"

тивности важно различать производительность идеального

Механический КПД компрессора: отношение внутренней

цикла (на самом деле, полуидеального, поскольку обычно учи"

мощности к эффективной мощности компрессора.

тывается реальная мощность на валу компрессора) и произ"

водительность реальной установки, для которой учитываются

9. Способы повышения производитель

потери давления, энергии, затраты электроэнергии на различ"

ное вспомогательное оборудование и т.д.

ности циклов и применение в них ПТО

В приведенном выше примере температура пара на выходе из

Обычно в расчетах не учитываются затраты энергии на работу

компрессора в основном холодильном цикле приблизительно

насосов, обеспечивающих циркуляцию охлаждающей воды или

равна 115 °С. Эта температура очень удобна для утилизации

раствора гликоля, поскольку эти затраты зависят от внешних

теплоты, однако при ней начинается разрушение масла. Кро"

факторов, не имеющих отношения к оценке производительно"

ме того, в этих условиях получаем низкий холодильный коэф"

сти установки. Однако необходимо учитывать потребление

фициент " отношение мощности испарителя к мощности ком"

энергии агрегатами установки (в конденсаторе, испарителе и

прессора, и низкий коэффициент преобразования " отноше"

трубопроводах).

ние мощности конденсатора к мощности компрессора.

При сравнении производительности важно точно определить,

Отдельного рассмотрения заслуживает движение масла в сис"

какие именно факторы учитываются и в каких условиях рабо"

теме. Масло уходит из компрессора вместе с паром хладагента,

тает установка. Очевидно, что агрегат кондиционирования воз"

его требуется вернуть в компрессор и, зачастую, охладить.

духа, установленный на открытом воздухе без защиты от сол"

нечных лучей где"нибудь в Саудовской Аравии, будет иметь

Третья проблема " защита компрессора. На вход компрессора

показатели производительности, отличающиеся от показате"

следует подавать несколько перегретый пар. С другой сторо"

лей агрегата установленного в Японии в помещении, даже если

ны, перегрев нагнетаемого пара желательно уменьшить.

в обоих случаях охлажденная и охлаждающая вода имеют оди"

Основной цикл может быть улучшен различными способами.

наковые температуры.

Мы уже видели, к чему приводит простое добавление переох"

Холодо(тепло)производительность: количество теплоты,

ладителя конденсата и охладителя перегретого пара.

отведенной (подведенной) от какой"либо среды, например, от

ППТО могут использоваться как следующие компоненты холо"

раствора гликоля.

дильного контура:

Холодо(тепло)производительность нетто: количество теп"

♦ испарители непосредственного охлаждения или испарите"

лоты, поглощенное (отданное) самим хладагентом. Отличие от

ли, работающие только на жидкой фазе хладагента;

первого показателя может быть обусловлено теплообменом с

окружающей средой, дополнительным подводом тепла от вспо"

♦ промежуточные испарители, охлаждающие рассол, исполь"

могательного оборудования и т.д.

зуемый для охлаждения воздуха;

Холодильный коэффициент. Различают следующие коэффи"

♦ конденсаторы;

циенты:

♦ промежуточные конденсаторы, охлаждаемые водой, посту"

Холодильный коэффициент (полуидеальный): холодопро"

пающей из чиллера, где и происходит настоящий отвод теп"

изводительность нетто испарителя или теплопроизводитель"

лоты;

ность нетто конденсатора, деленная на мощность на валу ком"

♦ охладители масла и испарители,

прессора (для герметичных компрессоров иногда берут элект"

рическую мощность, потребляемую двигателем) при заданных

♦ охладителей перегретого пара и переохладители.

условиях. Заданные условия включают в себя давления всасы"

1. Применения.

71.7 ˚C

1000 кг/час R22

холодильный

39.03

коэффициент

= 2.29

(7.04+10.01)

5 ˚C

Охлаждающая вода

Конденсатор, СПТО

Мощность: 56,08 кВт

Температура конденсации: 40 °С

Компрессор

35 ˚C

2"й ступени

КПД: 80 %

Мощность: 10,01 кВт

262 кг/час, 35 °С

Pк/Pн: 3,08

0 ˚C

35.1 ˚C

Регулятор

738 кг/час,

давления

35 °С

-25 ˚C

Ресивер жидкого

хладагента

5 ˚C

0 ˚C

Компрессор

1"й ступени

КПД: 80 %

Экономайзер, ППТО

Мощность: 7,04 кВт

ТРВ А

Мощность: 5,98 кВт

Pк/Pн: 3,04

Воздухоохладитель

Мощность: 39,03 кВт

Температура испарения: "30 °С

ТРВ B: "30 °С, 17,5 % пара

Давление, Р

(температура

насыщения)

35 ˚C

71.7 ˚C

5 ˚C

Экономайзер:

40 ˚C

Конденсатор, СПТО

охлаждаемый

контур

ТРВ А

Компрессор 2"й ступени

Экономайзер: охлаждающий контур

35.1 ˚C

ТРВ B

0 ˚C

Смешивание, 5 °С

Компрессор 1"й ступени

-30 ˚C

-25 ˚C

Воздухооохладитель

Энтальпия, Н

Рис. 04. Холодильный цикл с испарителем экономайзером

Часть сконденсированного хладагента мгновенно испаряет"

Улучшение происходит как за счет использования более эф"

ся в экономайзере и используется для охлаждения основной

фективного термодинамического процесса, так и за счет по"

массы хладагента. Испарившийся хладагент выходит из эко"

вышения эффективности компрессора. Конечно, ТРВ А мо"

номайзера слегка влажным. Когда он смешивается с хлада"

жет управлять процессом только по температуре пара после

гентом из компрессора первой ступени, оставшиеся капли

смешивания, если это позволяет конструкция компрессора.

хладагента испаряются, одновременно охлаждается пар из

Эффект подобен тому, который производит охладитель пе"

компрессора первой ступени. Следствием этого являются

регретого пара с водяным охлаждением, установленный меж"

более низкая температура пара на выходе из компрессора и

ду ступенями компрессора, но с тем преимущество, что дан"

повышенный холодильный коэффициент.

ная установка не требует внешнего источника холодной воды.

1. Применения.

♦ переохладители"перегреватели для низкотемпературных

♦ Появляется возможность регулировать подачу хладагента

систем;

в испаритель по перегреву в промежуточном теплообмен"

нике. В этом случае испаритель может работать с гораздо

♦ экономайзеры;

более низким перегревом и даже с влажным паром на вы"

♦ конденсаторы и испарители для каскадных систем;

ходе без опасности гидравлического удара. Средняя раз"

ность температур и коэффициент теплопередачи также воз"

♦ теплоутилизаторы общего назначения;

растают. Однако такое регулирование должно осуществ"

♦ разнообразные прочие компоненты, прямо не связанные с

ляться с помощью электронного регулирующего вентиля.

холодильными установками.

Обычные ТРВ в таком цикле часто работают нестабильно.

♦ ППТО, для которых характерна малая разность температур,

хорошо подходят для применения в качестве промежуточ"

ного теплообменника. Однако если требуется перегрев

10. Цикл с переохладителем

всего лишь на несколько градусов, такой теплообмен

ник будет слишком большим.

перегревателем

Общими для обоих способов являются следующие закономер"

Что произойдет при увеличении перегрева выходящего из ис"

ности.

парителя пара, то есть увеличении температуры всасывания?

♦ Уменьшается количество циркулирующего хладагента, что

♦ Плотность пара уменьшится, и для компрессоров с фикси"

важно для холодильных контуров с длинными линиями.

рованным рабочим объемом, т.е. для большинства типов

компрессоров, уменьшится массовый расход хладагента.

♦ Компрессор работает при значительно более высоких тем"

Как следствие, уменьшится производительность установки.

пературах, чем испаритель. В двухступенчатых системах это

позволяет избежать проблем с маслом. Масло, подходящее

♦ Если весь перегрев происходит в испарителе, то произво"

для ступени с высоким давлением, при низких температу"

дительность увеличится.

рах, характерных для ступени низкого давления, становит"

Какой из этих двух эффектов будет преобладать, зависит от

ся слишком вязкими и теряет свойства смазки. Кроме того,

скрытой теплоты парообразования и удельной теплоемкости

при очень низких температурах могут стать хрупкими мате"

хладагента.

риалы, из которых изготовлен компрессор.

♦ В случае высокой удельной теплоемкости пара увеличение

♦ Капли масла эффективно освобождаются от содержащего"

производительности за счет повышенного перегрева пере"

ся в них хладагента. В противном случае масло со слишком

крывает потери из"за уменьшения расхода циркулирующе"

большим содержанием хладагента могло бы ухудшить смаз"

го хладагента. Сухое тепло и, следовательно, производи"

ку компрессора. Эта проблема характерна для хладагентов,

тельность, возрастают с ростом температуры всасывания.

хорошо растворяющих масла. К ним относятся бутан, про"

пан, пропен и полностью хлорзамещенные углеводороды.

♦ В случае высокой скрытой теплоты и низкой удельной теп"

лоемкости увеличение перегрева не может возместить по"

Температура пара на выходе из компрессора возрастает. Это

тери производительности из"за уменьшения расхода хла"

может быть достоинством для теплового насоса, который на"

дагента. С увеличением температуры всасывания скрытая

гревает водопроводную воду за счет охлаждения пара хлада"

теплота и производительность уменьшается.

гента, однако может привести и к нежелательному повышению

температуры нагнетания. В этом случае пар следует охлаждать

Если температура испарения близка к 0 °С, то при увеличении

в промежуточном теплообменнике либо с помощью воды, либо

перегрева

впрыском жидкого хладагента, либо комбинацией обоих спо"

♦ в случае аммиака производительность снижается;

собов. Такой теплообменник показан на рис. 05.

♦ в случае R22 производительность не изменяется;

Пример. Пусть компрессор с рабочим объемом 1 м³/с сжима"

ет пропен, имеющий температуру насыщения 3,5 °С и перегре"

♦ в случае пропана, пропена, бутана, R134а, R410, R407С про"

тый на 5 К. Температура конденсации равна 43,5 °С, а темпера"

изводительность несколько возрастает;

тура на выходе из конденсатора - 40,5 °С. Плотность пара рав"

♦ в случае R404а и R507а производительность существенно

на 13,291 кг/м³. Разность энтальпий на входе и выходе испари"

возрастает.

теля составляет 283,08 кДж/кг, т.е. производительность равна

13,291 × 283,08 = 3762,4 кВт.

Изготовители компрессоров иногда указывают производитель"

ность при перегреве 25 К. Эта величина будет только тогда ха"

Теперь пусть испаритель изменен и перегревает пар до

рактеризовать более высокую производительность, если весь

23,5 °С. Плотность пара снижается до 12,332 кг/м³. Если ра"

перегрев происходит в испарителе. Перегрев пара после

бочий объем компрессора остался тем же, то массовый рас"

выхода из испарителя нужно относить к чистым потерям. К тому

ход хладагента уменьшится и составит 12,322/13,291 =

же, всегда ли можно достичь в испарителе перегрева пара на

92,7% от прежнего. Перегрев хладагента увеличивается на

25 К? Поэтому вызывает интерес другой способ перегрева. Он

15 К, а разность энтальпий составляет 308,33 кДж/кг, т.е. уве"

представлен на рис. 05.

личивается на 8.9%. Несмотря на более низкий массовый

расход паров, производительность возрастет с 3762,4 кВт

Вместо перегрева пара в испарителе, пар перегревают в от"

до 12,322 × 308,33 = 3799,2 кВт.

дельном теплообменнике, охлаждая при этом конденсат. Бо"

лее холодный конденсат будет меньше испаряться регулиру"

Так как испаритель обычно не может обеспечить перегрев

ющем вентиле. Термодинамически эти два способа эквивален"

20 К, следует применить перегреватель"переохладитель.

тны, но есть и некоторые важные различия.

В нем пар перегревается от температуры 8,5 °С до 23,5 °С,

на что затрачивается 25,25 кДж/кг. Соответственно, конден"

♦ Испаритель теперь может работать с обычным перегревом

сат поступает в ТРВ с энтальпией, меньшей на 25,25 кДж/кг,

от 5 до 10 К.

и, следовательно, требует менее сильного расширения. Со"

♦ Необходим дополнительный теплообменник. Потери давле"

держание жидкой фракции на входе в испаритель увеличи"

ния в нем могут перекрыть положительный эффект от пере"

вается на 0,0678 кг/кг.

грева"переохлаждения.

В итоге это приведет к такому же увеличению холодопроизво"

♦ Испаритель работает с хладагентом, имеющим более низ"

дительности, но не за счет увеличенного нагрева пара - от 8,5

кую концентрацию пара на входе и более низкий массовый

до 23,5 °С, - а за счет испарения большего на 0,0678 кг/кг коли"

расход, что может снизить коэффициент теплопередачи.

чества хладагента.

1. Применения.

1000 кг/час R 22

холодильный

46.91

= 2.05

коэффициент:

22.86

35 ˚C

Конденсатор с воздушным

охлаждением

Мощность: 46,91 кВт

Температура конденсации: 40 °С

Ресивер жидкого хладагента

Если перегрев контролируется

в этой точке, необходимо при"

менять электронный РВ

130 ˚C

0 ˚C

Испаритель, ППТО

Мощность: 46,91 кВт

35 ˚C

Температура испарения: "30 °С

-25 ˚C

22.3 ˚C

Компрессор

Переохладитель"пере"

КПД.: 80 %

греватель, ППТО

Мощность:22,86 кВт

Мощность: 4,46 кВт

Рассол

Pк/Pн: 9,38

-30 ˚C,

26.9 %

Давление. Р

(температура

Переохладитель"пере"

насыщения)

греватель. Охлаждае"

130.4 ˚C

мый контур

22.3 ˚C

35 ˚C

Конденсатор с воздушным

охлаждением, 40 °С

Компрессор

РВ

-30 ˚C

-25 ˚C

0 ˚C

Испаритель, ППТО

Переохладитель"перегрева"

Энтальпия, Н

тель. Охлаждающий контур

Рис. 05. Цикл с переохладителем перегревателем

Установка переохладителя конденсата является эффективным

на с помощью промежуточного теплообменника вода"хлада"

способом модернизации старой системы. Таким путем можно

гент или путем впрыска жидкого хладагента.

получить увеличение производительности до 20 %, если для

охлаждения используется внешний источник, например, вода

Система с переохладителем"перегревателем нестабильна. Ког"

из градирни.

да производительность испарителя падает, снижается и расход

пара. Температура конденсата при этом остается некоторое вре"

На представленной здесь схеме охлаждение конденсата осу"

мя неизменной. Переохладитель"перегреватель станет теперь

ществляется за счет перегрева пара, поступающего из испа"

слишком большим для малого расхода пара. Пар на выходе из

рителя. В зависимости от вида хладагента такая модификация

этого устройства будет перегреваться сильнее. В том случае,

цикла может привести как к увеличению, так и к снижению про"

если управление ТРВ происходит по перегреву на выходе из пе"

изводительности, см. текст.

реохладителя"перегревателя, вентиль открывается в ответ на это

Сильный перегрев пара может привести к чрезмерно высокой

повышение перегрева, хотя расход через испаритель следова"

температуре нагнетания. Эта температура может быть сниже"

ло бы сократить. Поэтому здесь требуется электронный вентиль.

1. Применения.

Поднять давление в жидкости с помощью насоса " это более

11. Каскадный цикл

простая и дешевая операция, чем сжатие пара. Другое досто"

Многоступенчатые циклы можно сделать термодинамически

инство абсорбционного цикла заключается в его практически

эффективными, но они обладают некоторыми отрицательны"

бесшумной работе. Насос производит гораздо меньше шума,

ми качествами.

чем компрессор.

♦ При высоких температурах давление хладагента может быть

При высоком давлении хладагент и абсорбент разделяются

очень большим, что потребует применения дорогого обо"

либо в процессе дистилляции, либо просто в результате испа"

рудования.

рения. В результате, как и в случае парокомпрессионного цик"

ла, образуется газообразный хладагент высокого давления,

♦ При низких температурах давление может быть низким, воз"

который затем конденсируется, после чего подвергается рас"

можно, отрицательным. Поскольку в контуре всегда есть

ширению, т.е. протекает обычный цикл.

утечки, пусть и маленькие, в систему будет подсасываться

воздух, и производительность конденсатора уменьшится.

В процессе дистилляции к генератору (кипятильнику) подво"

Объем пара увеличивается, что опять"таки потребует при"

дят тепло от низкопотенциального источника. Эта тепловая

менения дорогого оборудования.

энергия заменяет механическую при сжатии пара. Кроме пара

хладагента высокого давления в этом процессе получается и

♦ Масло неравномерно распределяется между ступенями,

более или менее восстановленный абсорбент, который снова

особенно если при высоких температурах оно растворяет"

возвращается в абсорбер.

ся в хладагенте, а при низких - нет. Это может ухудшить

смазку компрессоров или потребовать дорогой системы

Существует два основных типа абсорбционных систем: водо"

управления смазкой.

аммиачные и бромистолитиевые.

Эти проблемы преодолеваются применением каскадной холо"

Водоаммиачная система работает при высоком давлении

дильной машины, где ступени разделены на два самостоятель"

(приблизительно 24 бара) и пригодна для компактных устано"

ных контура - две ветви. В таком цикле испаритель верхней

вок. В этой системе аммиак является хладагентом, а вода "

ступени служит конденсатором для нижней ступени. ППТО мо"

абсорбентом. В этом случае нет каких"либо особых проблем с

гут работать при малой разности температур и превосходно

коррозией, за исключением запрета на применение меди и

подходят для применения в этом цикле, см. рис. 06.

цинка. Обычно применяют низкоуглеродистую или нержавею"

щую сталь.

В разных ветвях каскадной машины можно применять разные

хладагенты, наилучшим образом отвечающие рабочим усло"

Бромистолитиевая система работает при низком давлении

виям в данной ступени.

(до 1 бара). Вода является хладагентом, а LiBr " абсорбентом.

Концентрированный раствор LiBr может вызвать коррозию

Эффективность системы возрастает с уменьшением разности

обычных конструкционных материалов, поэтому требуются

температур между средами в конденсаторе"испарителе. И в

специальные меры предосторожности. Из"за большого объе"

этом случае превосходно подходит ППТО.

ма паров эти системы довольно громоздкие.

В примере на рис. 06 производительности ступеней точно со"

ответствуют друг другу, но это не является обязательным.

Обычно высокотемпературная ступень имеет более высокую

12.2. Применения

производительность и обслуживает различных потребителей

Сравнение экономичности этих двух циклов зависит от доступ"

холода, включая конденсатор"испаритель низкотемпературной

ности того или иного вида энергии. При наличии дешевой элек"

ступени.

троэнергии парокомпрессионный цикл может быть более вы"

Существует одна проблема, связанная с конденсатором"испа"

годным. Если доступны дешевые низкопотенциальные источ"

рителем. Перепады температур между двумя сторонами мо"

ники тепла (вторичные энергоресурсы), то более экономичным

гут быть очень велики. Если система запускается слишком бы"

решением может оказаться абсорбционный цикл.

стро, в теплообменнике могут возникнуть термические напря"

Существует три типа применения пластинчатых теплообмен"

жения, что ведет к повреждению паяных соединений пластин

ников в абсорбционных циклах. Для большинства применений

(и крепления труб в КТТО " кожухотрубных теплообменниках).

характерно, что для генератора используется фактически бес"

Замечания о системе управления, необходимой для решения

платное тепло, а теплообменники играют ключевую роль в оп"

данной проблемы, приведены в гл. 4. «Испарители и отделите"

ределении экономичности установки.

ли жидкости», п. 6.7.

♦ Совместное производство тепла и электроэнергии. Для

молокозавода, бойни, рыбообрабатывающего завода и т.д.

необходимы электроэнергия, горячий пар или тепло, охлаж"

12. Абсорбционный цикл

денная вода или холодильная установка.

Электроэнергия вырабатывается дизельными генератора"

12.1. Теория

ми или с помощью газовых турбин. Образующиеся при этом

В холодильном цикле есть этап, на котором пар хладагента,

газообразные продукты сгорания используются для полу"

имеющий после выхода из испарителя низкие температуру и

чения горячего пара. Часть этого пара или продуктов сгора"

давление, преобразуются в пар с высокими температурой и

ния может служить источником тепла в абсорбционной ус"

давлением, после чего для охлаждения пара можно применять

тановке.

воду с достаточно высокой температурой.

Пластинчатые теплообменники промышленного назначения

В парокомпрессионном цикле этот этап совершается в комп"

(полностью сварные или полусварные) применяются в ка"

рессоре. Однако сжатие паров хладагента стоит дорого. Эксп"

честве всех теплообменников такой абсорбционной уста"

луатация, монтаж, контрольно"измерительные приборы, сам

новки.

компрессор " все это стоит дорого.

♦ Предприятия химической промышленности зачастую

Однако существуют и другие способы. В абсорбционном цик"

производят большое количество избыточного тепла, ко"

ле пар, выходящий из испарителя, абсорбируется (растворя"

торое можно использовать для получения охлажденной

ется) во вспомогательной жидкости " абсорбенте. Давление

воды. Могут применяться полностью сварные или полу"

этого жидкого раствора затем повышается с помощью насоса.

сварные ПТО.

1. Применения.

1000 кг/час R 22

73.8 ˚C

Холодильный

54.52

= 2.29

коэффициент:

(10.28+15.24)

27 ˚C

Кожухотрубный конденсатор

Охлаждающая

Производительность: 80,04 кВт

вода из градирни

Температура конденсации: 40 °С

32 ˚C

Компрессор ВД

35 ˚C

Мощность:15,24 кВт

КПД: 80%

2.5 ˚C

Pк/Pн: 3,35

Ступень ВД

1415 кг/час R22

tк/tи: 40/"2,5 °С

Конденсатор"испаритель, ППТО

Производительность: 64,80 кВт

Температура конденсации: 2,5 °С

35 °С

Температура испарения: "2,5 °С

Ресивер жидкого

39.6 ˚C

хладагента

Ступень ВД

РВ ВД: "2,5 °С, 22,2%

0 ˚C

-25 ˚C

Ступень НД

Компрессор НД

1000 кг/час R22

КПД: 80 %

tк/tи: 2,5/"30 °С

Мощность:10,28 кВт

0 °С

Pк/Pн: 3,30

Ресивер жидкого

хладагента

Ступень НД

Воздухоохладитель

Производительность: 54,52 кВт

РВ НД: "30 °С, 14,9 %

Температура испарения: "30 °С

Давление. Р

(температура

насыщения)

35 ˚C

73.8 ˚C

Кожухотрубный конденсатор, 40 °С

РВ ВД

0 ˚C

39.6 ˚C

-2.5 ˚C

2.5 ˚C

Конденсатор"испаритель, ППТО

РВ НД

Воздухоохладитель

-25 ˚C

-30 ˚C

Энтальпия, Н

Рис. 06. Каскадный холодильный цикл

Конденсатор"испаритель (К"И) это ключевой компонент кас"

В такой установке можно использовать те же приемы, что

кадной установки. Если производительность цикла НД больше

и при охлаждении масла, см. гл. 8. «Масло и хладагенты»,

фактической тепловой нагрузки, то К"И будет периодически

рис. 8, т.е. медленный пуск системы или поддержание не"

включаться и выключаться, вероятно, только на стороне НД.

большого постоянного расхода холодного хладагента че"

Холодный хладагент будет в этом случае поступать в теплый

рез теплообменник, чтобы предотвратить резкой возрас"

конденсатор, что может вызвать в итоге термическую уста"

тание подачи холодного хладагента.

лость. Полностью сварные или паяные теплообменники (ПТО

и КТТО) чувствительны к таким режимам, полусварные ПТО -

Этот вопрос обсуждается также в гл. 4. «Испарители и отде"

нет. Режим непосредственного охлаждения является более

лители жидкости», п. 6.7. См. также гл. 8. «Масло и хладаген"

опасным, чем работа только на жидкой фазе хладагента.

ты», рис. 16.

1. Применения.

♦ Реверсивные кондиционеры для жилых помещений.

туры дистилляции, а слабый раствор охлажден, чтобы облег"

Это развивающаяся область применения абсорбционных

чить абсорбцию. Это происходит в теплообменнике растворов.

машин. Во многих странах, особенно, в Восточной Азии, су"

Все теплообменные процессы в аммиачных абсорбционных

ществует потребность в обогреве жилищ зимой и кондици"

установках можно проводить в ПТО, от паяных никелевых ап"

онировании воздуха летом.

паратов, применяемых в небольших домашних кондиционерах,

В противоположность большинству северных стран, где пик

до сварных или полусварных ПТО, применяемых в больших ус"

потребления электроэнергии приходится на зиму, здесь по"

тановках на промышленных или торговых предприятиях.

требление электроэнергии является высоким в течение все"

Связанные с теплообменом проблемы, которые требуется при

го года. Пик потребления природного газа приходится на

этом решать, мало зависят от размеров установки. Большин"

зиму.

ство узлов установки не являются критическими, для них при"

Увеличение числа кондиционеров за последние несколько

меняются обычные одно" или двухфазные теплообменники.

лет привело к перегрузке электросети летом, в то время как

Однако некоторые узлы требуют особого внимания.

сеть природного газа остается недогруженной. Кроме того,

кондиционеры, как и другие бытовые электроприборы, дол"

жны работать бесшумно.

♦ Дефлегматор. В схеме, показанной на рисунке, присутству"

ет дефлегматор, т.е. парциальный конденсатор. В нем пар

Отсюда следует, что абсорбционные реверсивные кондици"

частично конденсируется, и этот конденсат - флегма - воз"

онеры являются прекрасной альтернативой парокомпрес"

вращается в верхнюю часть ректификационной колонны.

сионным. Однако кондиционеры на базе КТТО были бы

слишком тяжелыми (? 250 кг) для практического примене"

Пар, поднимающийся в дефлегматоре, контактирует со сте"

ния. Такие агрегаты покрывают эмалью, как холодильники,

кающим вниз конденсатом, то есть эти фазы движутся в про"

печи и т.д, их доставляют заказчику два грузчика на пикапе.

тивотоке. Для этого требуется конденсатор с очень низки"

ми потерями давления. Здесь может быть использован пла"

Подходящим решением могло бы стать применение ревер"

стинчатый теплообменник, но только в том случае, если по"

сивных кондиционеров на базе никелевых паяных теплооб"

тери скорости и давления пара не велики, в противном слу"

менников (или ППТО из других стойких к аммиаку материа"

чае конденсатор работал бы в затопленном режиме.

лов). Это вдвое снижает вес установки. Однако такие сис"

темы все еще находятся в стадии разработки.

Низкие потери давления практически обеспечены, если кон"

денсатор проектировался в расчете на высокий коэффици"

ент теплопередачи, т.е. на разность температур в несколь"

ко градусов.

12.3. Водоаммиачная система

В этой системе аммиак является хладагентом, а вода " абсор"

Если конденсатор проектировался для охлаждения воды,

бентом. На рис. 07 в той части схемы, которая лежит слева от

что, как правило, предполагает более значительную раз"

красного прямоугольника, происходит холодильный цикл, в

ность температур, то в нем меньше пластин и больше пере"

котором применяется переохладитель конденсата " перегре"

пад давления. В таком конденсаторе может создаться за"

ватель пара.

топленный режим.

Из этой части установки в другую, обозначенную красным пря"

Трудно дать точные рекомендации по проектированию деф"

моугольником, поступает испарившийся хладагент (в данном

легматора. По"видимому, безопасным является расчетное

случае - аммиак) низкого давления, а оттуда возвращается пар

падение давления 0,05"0,1 кПа/м (по длине потока). Это со"

аммиака высокого давления.

ответствует расходу аммиака 20 кг/час при давлении 20 бар

через 2 мм канал.

Если устройства в красном прямоугольнике заменить компрес"

сором (и пароохладителем), данный цикл превратится в обыч"

♦ Возможна такая установка дефлегматора, при которой и по"

ный парокомпрессионный цикл.

ток пара, и поток конденсата направлены вниз. Такая ситуа"

В абсорбционных системах, вместо того чтобы использовать

ция порождает дополнительные проблемы, так как для пре"

механическую энергию для повышения давления, преимуще"

одоления перепада давления потребуется столб жидкости

ственно используется тепло.

или дополнительный насос. Термодинамически такой вари"

ант менее эффективен, так как при восходящем потоке пара

Аммиак очень хорошо растворим в воде и, следовательно, легко

степень ректификации выше.

поглощается в абсорбере. Так как это экзотермический про"

цесс, абсорбер необходимо охлаждать.

После абсорбера насос повышает давление жидкости до дав"

♦ Аммиачный испаритель. Он работает как обычный испа"

ления конденсации. При этом повышенном давлении произ"

ритель для чистого аммиака. Однако в некоторых случаях,

водят разделение аммиака и воды. Сложность в том, что ам"

особенно в термосифонных испарителях, в образующемся

миак и вода являются летучими веществами, т.е. для разделе"

паре содержится меньше воды, чем в поступающем в испа"

ния требуется дистилляция.

ритель конденсате. В таком испарителе накапливается вода,

а это приводит к возрастанию температуры испарения.

Любой инженер"химик узнает в этом оборудовании ректифи"

кационную колонну с кипятильником, верхним конденсатором

В таких случаях необходим специальный дополнительный

и теплообменником исходного раствора и кубового остатка.

испаритель, подобный тому, который применяется для ис"

Такой набор оборудования является обычным для химической

парения масла во фреоновых термосифонах, см. гл. 8. «Мас"

промышленности.

ла и хладагенты», п. 16.

Указанным способом можно получить пары аммиака с чисто"

В связи с этим испаритель непосредственного охлаждения

той более 99,5%. Из"за высокого сродства аммиака и воды

предпочтительнее, особенно если его можно установить так,

практически невозможно, да и не нужно получать чистую воду

чтобы выходящие из испарителя капли жидкости попадали пря"

в нижней части ректификационной колонны. Этот слабый ра"

мо в абсорбер, не накапливаясь в каких"либо ловушках. Луч"

створ содержит приблизительно 20"40 % аммиака. После аб"

шим решением был бы впрыск жидкости в верхнюю часть ни"

сорбции получается крепкий раствор, содержащий на 5"30 %

келевого ППТО, однако, до сих пор все конструкции испарите"

больше аммиака, т.е. около 40"50 %.

ля с верхним впрыском жидкости отличались пониженной на

Наконец, крепкий раствор должен быть подогрет до темпера"

25"30 % производительностью.

1. Применения.

Аммиак ВД,

99,95%, 41 °С

Внимание! В аммиачных систе

Флегма,

мах могут применяться только

никелевые паяные или сварные

11. Дефлегматор

95 %,

аппараты.

41 °С

1. Конденсатор

Температура кон"

Полусварные ПТО

денсации: 40 °С

Сварные ПТО

Конденсат

Очищенный пар

9. Ректификацион

40 ˚C

ная колонна

Укрепляющая

2. Ресивер жидкого

часть

хладагента

Аммиак НД, 99,95 %, 2 °С

6. Абсорбер

Подача: крепкий

раствор, 50 %,

12. Клапан

77 °С

сброса дав

ления

3. Переохладитель конден

Исчерпывающая

сата перегреватель пара

часть

Слабый

раствор, 40%,

44 ˚C

56%

Возврат пара

-7 ˚C

7. Насос

Кубовый остаток:

20 ˚C

5. Испаритель

слабый раствор,

Температура

40 %, 96 °С

испарения: "7 °С

8. Теплооб

менник ра

створов

10. Генератор

Крепкий

раствор

-7 ˚C

Слабый раствор

4. РВ

0 ˚C -3 ˚C

Охлаждающая вода или на"

Источник тепла, например,

греваемая водопроводная

газообразные продукты

Рассол

вода

сгорания, сточная вода, пар

и т.д.

Рис. 07. Водоаммиачный абсорбционный холодильный цикл

Контур хладагента:

8. Подогреватель крепкого раствора. Раствор подогрева"

ется до температуры дистилляции слабым раствором, кото"

1.Конденсатор конденсирует пары аммиака.

рый, в свою очередь, охлаждается. Холодный слабый раствор

2.Ресивер конденсатора выравнивает изменения расхода

облегчает абсорбцию в аппарате 6.

поступающего хладагента

9. Ректификационная колонна может быть простой или бо"

3.Промежуточный теплообменник переохлаждает кон"

лее сложной, как показано на рисунке. Крепкий раствор те"

денсат с помощью паров хладагента, увеличивая тем самым

чет вниз и контактирует с поднимающимися парами. Высо"

эффективность цикла.

кокипящий компонент паров " вода " конденсируется, а низ"

кокипящий компонент " аммиак " испаряется. В результате

4.Регулирующий вентиль, терморегулирующий вентиль

стекающая жидкость освобождается от аммиака, а поднима"

для испарителя непосредственного охлаждения

ющиеся пары постепенно обогащаются аммиаком. Часть ко"

5.Испаритель, в данном случае обычный испаритель непос"

лонны ниже точки подачи исходной смеси называется исчер"

редственного охлаждения.

пывающей, в ней раствор освобождается от летучего компо"

нента. Верхняя часть колонны называется укрепляющей, в ней

Контур абсорбента:

происходит ректификация паров.

6. Абсорбер состоит из двух частей: инжектора, где в пары

10. Генератор является источником поступающего в ко"

аммиака впрыскивается слабый раствор, и установленного

лонну пара.

за ним охладителя. Аммиак легко растворяется в слабом ра"

створе, чему способствует турбулентность потока в каналах

11. Дефлегматор служит для частичной конденсации па"

охладителя. Из абсорбера выходит крепкий раствор и посту"

ров, этот конденсат - флегма - возвращается в верхнюю часть

пает в насос.

колонны.

7.Насос повышает давление от давления испарения до дав"

12. Клапан сброса давления уменьшает давление креп"

ления конденсации, далее раствор поступает в подогреватель.

кого раствора

1. Применения.

Нерешенным остается вопрос о том, где должен быть вход

Пары аммиака

в абсорбер, внизу или вверху. В большинстве установок вход

находится вверху. Хорошее распределение, особенно для

жидкости, легче получить при подаче снизу, но в этом слу"

чае поток неустойчив, по крайней мере, при невысоких мощ"

ностях.

Слабый раствор

♦ Генератор. Выбор конструкции генератора зависит от име"

ющегося источника тепла. На промышленных предприяти"

А. Впрыск в трубу в не"

ях, где имеется горячий пар, хорошим решением будет свар"

скольких точках перед вхо"

ной ПТО. С точки зрения эксплуатации установки это не кри"

дом в абсорбер. Применя"

тичный узел, который работает, как обычный парогенератор.

ются серийно выпускае"

мые форсунки, создающие

Бытовые тепловые насосы и кондиционеры обычно исполь"

конический факел.

зуют в качестве источника тепла природный газ. В этом слу"

чае генератор объединен с горелкой.

В. Труба с равномерно

расположенными распре"

♦ Переохладитель перегреватель. В компрессионном цик"

делительными отверстия"

ле применение этих устройств не является бесспорным (см.

ми, вставленная во вход"

п. 10, стр. 10) из"за уменьшения количества циркулирую"

ной канал аппарата.

щего аммиака.

Функционирование абсорбера в меньшей степени зависит

от плотности пара. Ее увеличение потребует отвода чуть

Крепкий раствор

большего количества энергии. Возможно, для этого потре"

буется немного увеличить площадь теплообмена и (или)

расход охлаждающей воды.

Кроме того, дополнительный нагрев паров аммиака помо"

Рис. 08. Система впрыска в аммиачный

гает выпарить из них остатки воды. Присутствие воды зна"

абсорбер.

чительно увеличивает точку росы, см. гл. 8. «Масла и хла

дагенты», табл. 3.

♦ Абсорбер. Это сердце абсорбционной установки. ПТО мо"

жет быть прекрасным абсорбером, благодаря своей способ"

12.4. Бромистолитиевая система

ности смешивать жидкости и одновременно охлаждать их.

Принципиальное устройство системы показано на рис. 09.

Абсорбер состоит из двух частей: инжектора, в котором абсор"

Бромистолитиевая система аналогична водоаммиачной по ос"

бирующая жидкость впрыскивается в пар аммиака, и теплооб"

новным принципам работы, но отличается по конструкции. Если

менника, где происходит абсорбция и охлаждение смеси.

для водоаммиачных систем характерно применение высокого

Проблема состоит в распределении смеси по каналам. В

давления, но не возникают проблемы с коррозией (при отсут"

каждый канал должна поступать своя порция пара и жидко"

ствии медных деталей), то бромистолитиевые системы работа"

сти. К сожалению, пар и жидкость могут разделиться после

ют под низким давлением, но с корродирующими веществами.

участка впрыска. В этом случае жидкость, как правило, по"

Чистый раствор бромида лития это агрессивная среда. Его не"

ступает преимущественно в ближайшие каналы, а пар - в

обходимо пассивировать раствором молибдата или хромата,

более удаленные.

а рН раствора нужно поддерживать по возможности высоким.

Подобная проблема возникает при распределении двухфаз"

Содержание кислорода и хлора должно быть как можно более

ной смеси, поступающей из ТРВ в испаритель.

низким.

Предложены различные методы, обеспечивающие хорошее

В связи с коррозионным действием LiBr необходимо проверить

распределение, большинство из них запатентовано. Здесь

применимость конкретной конструкции теплообменника из

можно привести несколько общих правил.

меди и нержавеющей стали, прежде чем приступать к эксплуа"

тации.

Не существует полностью надежных методов проектирова"

ния, однако такой ПТО можно конструировать как конден"

В таком теплообменнике возможна точечная и щелевая корро"

сатор, на вход которого поступает частично конденсирован"

зия и коррозия под напряжением. Эти виды коррозии тесно

ный пар. Аммиачно"водяная смесь является хладагентом с

взаимосвязаны. Стойкость к коррозии зависит не только от

очень большим температурным глайдом. Теплота, выделя"

используемых материалов, но и от конструкции и исполнения

ющаяся при совместной конденсации паров обоих веществ,

аппарата. См. также главу, посвященную проблеме коррозии.

это не только скрытая теплота конденсации, но и весьма зна"

Применяемые в ППТО пластины из нержавеющей стали -

чительная теплота растворения.

гладкие, почти полированные, что снижает опасность точеч"

Необходимо избегать изгибов трубопровода (т.е. возникно"

ной коррозии. Медь эффективно заполняет все щели, что ог"

вения центробежных сил) и больших расстояний между точ"

раничивает опасность щелевой коррозии. Пайка эффектив"

кой впрыска и входом в ППТО, иначе смесь будет разделять"

но снимает напряжения и тем самым устраняет коррозию под

ся на фазы.

напряжением, по крайней мере, обусловленную остаточным

напряжением.

Слабый раствор требуется впрыскивать в трубу подачи пара

аммиака. Для длинных труб (? 100 мм), хорошие результаты

Наконец, для улучшения смачивания поверхности и, соот"

достигаются при большом количестве точек впрыска вдоль

ветственно, увеличения эффективной площади теплопере"

участка инжекции. Соответствующая иллюстрация приведе"

дачи в смесь вводится поверхностно"активный компонент

на на рис. 08, поз. А.

(детергент). Это может быть октиловый спирт или что"ни"

будь подобное.

Для коротких труб хорошие результаты достигаются при по"

даче, изображенной на рис. 08, поз. В.

Интересно, что гидроксид лития, который используется для

повышения рН, является более эффективным абсорбентом,

Впрыск с помощью струйного насоса пока нигде не реали"

чем LiBr, но не применяется в этом качестве частично из"за на"

зован, однако это может оказаться хорошим решением. При

личия устоявшейся традиционной технологии, а частично из"

высокой скорости истекания из форсунок жидкость распа"

за его еще более выраженных коррозионных свойств.

дается на мельчайшие капли.

1. Применения.

7. Сепаратор

9. Конден

сатор

8. Генератор

НТ

88 ˚C

90 ˚C

50 ˚C

150 ˚C

35 ˚C

10. Горелка

6. Генератор ВТ

2. Абсорбер

10. Ре

1. Испаритель

гулиру

ющий

121 ˚C

вентиль

5. Высоко

4. Низкотем

температур

пературный

3. Насос

ный рекупе

рекуператор

раствора

ратор

65 ˚C

Газ или мазут

Слабый раствор

Пар ВТ

Пар НТ

Охлаждающая вода

Крепкий раствор

Конденсат ВТ

Конденсат НТ

Охлаждаемая вода

1. Испаритель. Холодная вода испаряется под вакуумом и

рыми расположен генератор НТ, где происходит дальнейшее

охлаждает воду, циркулирующую в чиллере. При данной тем"

испарение воды.

пературе водяные пары обладают очень низкой плотностью

Пар ВТ далее следует в

и требуют теплообменников специального типа. ПТО, паяные

или снабженные прокладками, обычно не применяются для

7. Сепаратор, где отделяется и поступает в качестве тепло"

работы с парами низкой плотности.

носителя в:

После испарения водяные пары поступают в

8. Генератор НТ. Здесь вода выпаривается из крепкого ра"

створа при более низких температуре и давлении, чем в сту"

2. Абсорбер, где они абсорбируются крепким раствором LiBr.

пени генератора ВТ.

3. Насос подает образовавшийся слабый раствор в:

В многокорпусных выпарных установках из соображений эко"

4 и 5. Низкотемпературный (НТ) и высокотемпературный

номии часто используют образующийся пар для нагрева сту"

(ВТ) рекуператоры, в которых слабый раствор нагревается

пени с более низкой температурой. Здесь применяется тот

до температур, близких к температурам кипения. Высокая эф"

же принцип.

фективность утилизации тепла это ключевое условие эконо"

9. Конденсатор. Здесь конденсируется пар из обеих ступе"

мичности процесса. Для выполнения этой функции отлично

ней генератора. Как и в случае испарителя, объем пара слиш"

подходят ПТО, особенно двухходовые.

ком велик для использования ПТО. Образовавшийся конден"

После утилизации тепла слабый раствор поступает в

сат затем расширяется до температуры испарения в следу"

ющих устройствах, которыми являются

6. Генератор ВТ. Часть воды выпаривается, обычно в кипя"

тильнике с газовой горелкой. Образовавшийся крепкий ра"

10. Регулирующий вентиль и испаритель.

створ отдает теплоту в ВТ и НТ рекуператорах, между кото"

Рис. 09. Абсорбционный бромистолитиевый чиллер

Бромид лития является абсорбентом, а вода выполняет двой"

Нижний предел температуры устанавливается с учетом опас"

ную функцию, будучи хладагентом и растворителем абсор"

ности замерзания воды и кристаллизации бромида лития.

бента.

В такой системе нельзя охлаждать воздух непосредственно в

Разделение воды и бромида лития не представляет сложно"

испарителе или использовать воздушное охлаждение для кон"

сти, поскольку бромид лития является твердым веществом и

денсации водяных паров. Это потребовало бы слишком боль"

для его отделения не требуется ректификационная колонна.

шого объемного расхода водяного пара и воздуха.

Достаточно выпарить воду, но не допускать создания слиш"

Поэтому данные системы не применяются в небольших быто"

ком высокой концентрации бромистого лития во избежание

вых кондиционерах и тепловых насосах. Их используют в ос"

его кристаллизации.

новном в качестве чиллеров средней производительности.

1. Применения.

♦ Если низкотемпературная камера находится далеко от ма"

13. Применение теплообменников

шинного отделения, линии с хладагентом R404a могут ока"

в больших супермаркетах

заться слишком длинными. Было бы лучше поместить холо"

дильную установку вблизи холодильной камеры и охлаждать

Обратимся к рис. 10. Здесь представлен типичный современ"

конденсатор рассолом, поступающим из основной систе"

ный супермаркет. Однако на схеме показаны не все компонен"

мы. Альтернативой этому является использование тепловых

ты холодильной установки. В большом супермаркете приходит"

труб с углекислым газом в качестве теплоносителя (холо"

ся решать еще много других задач, требующих охлаждения до

доносителя). Конденсатором в этом случае может служить

разных температур.

медный паяный ПТО.

Так как наша основная цель показать варианты применения

♦ Сжатие от температуры испарения "12 °С до температуры

теплообменников, то другое оборудование - вентили, насосы,

конденсации 45 °С характеризуется низким холодильным ко"

регуляторы, трубы - в дальнейшем упоминается лишь вскользь.

эффициентом. Экономически оправданный коэффициент

получился бы при сжатии аммиака до температуры около

Данная установка имеет следующие характеристики:

160 °С. Однако при столь высокой температуре происходит

♦ Весь аммиачный цикл совершается в машинном отделении.

разложение масла и заклинивание компрессора.

Это означает, что аммиак отсутствует в помещениях, где на"

♦ Поэтому установка имеет два последовательно соединен"

ходятся посетители супермаркета и персонал, не связанный

ных компрессора (или двухступенчатый компрессор с про"

с обслуживанием холодильной машины.

межуточным входом хладагента) и экономайзер (см. рис. 3).

♦ Аммиачный испаритель охлаждает рассол, который посту"

В нашем примере в качестве экономайзера применяется ни"

пает в различные воздухоохладители (ВО). В данном слу"

келевый паяный теплообменник. Он выполняет двойную

чае испаритель представляет собой два полусварных ПТО,

функцию: увеличение холодильного коэффициента и умень"

подсоединенных по схеме термосифона к общему парожид"

шение температуры нагнетания аммиака до более прием"

костному сепаратору.

лемых 96 °С.

Контур «испаритель - рассольный танк» отделен от контура

♦ Температура нагнетания аммиака, 96 °С, достаточно высо"

«рассольный танк " ВО». В каждом контуре есть свой насос.

ка, чтобы использовать это тепло для нагрева воды. В ПТО

Однако рассол из обоих контуров смешивается в танке. Та"

можно легко нагреть воду до 80"85 °С. Поэтому конденса"

кая конструкция позволяет независимо управлять испари"

тор оснащается секцией, охлаждающей перегретый пар и

телем и ВО.

одновременно нагревающей воду. От 20 до 25 % энергии

может быть утилизировано для получения горячей воды.

Температура рассола на входе всех ВО одинакова и равна "

8 °С. Но температура в обратном трубопроводе, "4 °С, это

♦ Отделитель жидкости состоит из двух частей. Парожидкос"

результат смешивания рассола разной температуры, выхо"

тным сепаратором является, в сущности, горизонтальная

дящего из разных воздухоохладителей.

часть аппарата.

♦ На рисунке показан один рассольный контур, обслуживаю"

Определенный уровень жидкого аммиака поддерживается

щий несколько ВО. Если температура воздуха в разных хо"

в вертикальной части сосуда. Из"за относительно неболь"

лодильных камерах сильно отличается, то необходимо ис"

шой площади поперечного сечения этого сосуда по срав"

пользовать несколько рассольных контуров (т.е. несколько

нению с горизонтальным сосудом общее количество амми"

испарителей).

ака в сепараторе может быть относительно небольшим.

♦ Аналогично, аммиачный конденсатор охлаждается оборот"

♦ Поверхность жидкости в сепараторе постоянно колеблет"

ной водой, которая, в свою очередь, остывает в охладителе

ся. Чтобы стабилизировать положение поплавка, который

жидкости, расположенном на крыше здания. В нашем при"

управляет регулирующим вентилем, поплавок и вентиль по"

мере конденсатором служит полусварной теплообменник с

мещают в отдельный сосуд сепаратора, сообщающийся с

отдельной секцией утилизации тепла. Подробнее он обсуж"

основным сосудом.

дается ниже.

♦ Такие сепараторы с вентилями выпускаются как единый

♦ Вместо охладителя жидкости может применяться градир"

агрегат. Некоторые специально предназначены для уста"

ня, а также одноконтурная либо двухконтурная водяная си"

новки на выходе полусварного пластинчатого теплооб"

стема охлаждения холодоносителя.

менника.

Последняя очень популярна на Дальнем Востоке. Из"за

♦ Масло не растворяется в аммиаке и тяжелее его. Масло из

большой влажности градирни не выгодны, а пресная вода

компрессоров собирается в нижней части каждого термо"

крайне дефицитна.

сифонного контура. Оттуда масло стекает через клапаны A

по сливным трубам в бак с маслом.

Поэтому используется пресная вода, циркулирующая в зам"

кнутом контуре и охлаждаемая морской водой в ПТО с тита"

Небольшое количество аммиака неизбежно попадает в ре"

новыми пластинами и прокладками. Такая схема широко

зервуар с маслом. Здесь он испаряется, и бак с маслом сна"

применяет в Гонконге, Сингапуре и других местах для отво"

ружи покрывается инеем. Когда бак целиком наполнен мас"

да тепла, производимого большими кондиционерами воз"

лом, аммиак не может в него проникнуть. Температура воз"

духа.

растает, и иней тает.

♦ Для получения низкотемпературного холода возможно ис"

Это служит сигналом, регистрируемым визуально или тер"

пользование рассола, но такой вариант тем менее эффек"

мометром, что бак с маслом полон. Тогда клапаны A закры"

тивен, чем ниже требуемая температура.

ваются, и открываются клапаны B. Через один из клапанов

B аммиак под большим давлением выдавливает масло из

В нашем примере для создания в холодильной камере низ"

бака, и оно вытекает через другой клапан B во вторичный

кой температуры применяется каскадная схема. В качестве

бак для масла. Оттуда масло поступает в компрессоры.

второй ступени используется холодильная машина с хлада"

гентом R404a, причем конденсатор охлаждается испаряю"

Если температура окружающего воздуха недостаточно вы"

щимся аммиаком основной системы. Таким испарителем"

сока для испарения аммиака в баке для масла, то для улуч"

конденсатором может служить небольшой полусварной,

шения испарения можно установить электрический нагре"

или, как в обсуждаемом примере, никелевый паяный теп"

ватель или змеевик с конденсатом. Для перекачивания мас"

лообменник.

ла можно вместо аммиака ВД использовать насос.

Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год) - часть 1